全舰计算环境及信息化总体概念方案研究*

徐 勇

(海装信息系统局软件室 北京 100841)



全舰计算环境及信息化总体概念方案研究*

徐 勇

(海装信息系统局软件室 北京 100841)

介绍了美军全舰计算环境的体系架构及全舰信息化集成模式,分析了美军全舰计算环境及信息化集成的设计思路及特性,结合我军应用,分析了我军全舰计算环境及信息化集成的应用需求,初步提出了我军全舰计算环境的体系架构及全舰信息化总体概念方案,并结合未来我军的发展应用需求,提出了我军全舰计算环境及信息化集成的发展建议,为我军全舰信息系统的发展提供参考。

全舰计算环境; 信息系统集成; 全舰信息化

Class Number TN919.3

1 引言

信息化作战是由信息化军队在陆、海、空、天、潜、信息、认知和心理等多维空间用信息化武器装备进行的。当前我军仍处于机械化未完成、信息化刚起步的发展阶段,与世界先进军事水平相比,信息化水平和信息体系作战能力差距较大。提高信息化作战条件下海军装备的作战能力是我国海军装备建设发展的方向和关键[1]。信息化海战场对海军新一代舰艇装备建设提出了如下需求:

1) 提供全舰全要素信息的共享与集成能力,提高全局信息把控能力。

2) 建立面向全舰的开放式体系架构信息基础设施,提升全舰信息服务化水平。

3) 提供差异化的高服务质量,具有高抗毁性,提升舰艇的战斗力和生存能力。

4) 提高全舰各业务应用的全局联动和自动化水平,减少人员配置,提升有效载荷。

5) 提高信息组织与运用的灵活性与智能性。

美海军依托全舰计算环境(Total Ship Computing Environment,TSCE)将全舰公用的计算、存储、传输、显控等硬件设备和基础服务软件,进行了有机集成,构建了全舰信息化的基础支撑环境[2]。TSCE为舰艇的探测感知、指挥控制、武器交战、信息保障以及舰艇驾控、安防损管等舰艇业务应用提供包括信息交换、数据存储、高性能计算以及人机交互等基础服务支持[3]。美军认为,TSCE为舰艇电子信息系统装备的集成方式和组织运行带来重大变革,在扩展升级、抗毁生存、分散布置、统一标准、开放集成和灵活重构等六个方面的优势[4]。

随着我军舰艇装备信息系统功能性能逐步提升、以及各类信息化新技术的应用,舰艇作战能力大幅提高。但与世界先进水平相比,我海军在新一代全舰信息基础设施及在此基础上的信息化水平方面尚存在一些差距。如全舰一体化信息覆盖不足、面向全舰的计算服务支撑能力需求分析欠缺、舰艇信息系统综合集成效能有待提高、基于全舰计算环境的应用开发与集成环境需待完善与建立等。

本文通过分析美海军TSCE设计思路和信息化集成模式,探讨我军全舰计算环境体系架构的构建和全舰信息化集成设计,为我军全舰信息化发展提供建议。

2 美军全舰计算环境及信息化体系架构

2.1 美军TSCE体系架构

TSCE体系结构是标准的五级开放式体系结构(如图1所示),由硬件层、操作系统层、中间件层和通用服务接口层组成[5]。硬件层设备遵循成熟标准,操作系统层采用符合POSIX标准的操作系统,中间件层按照OMG标准封装,舰艇各类应用通过应用软件部署和标准服务接口,基于TSCE的硬件和服务软件,完成各自的任务。

图1 TSCE体系结构示意图

全舰计算环境TSCE是DDG-1000全舰计算环境的基础与核心[6],由人机接口单元、数据处理单元、网络单元和适配单元四大部分组成,为全舰各系统提供核心的网络服务,数据处理与共享服务,分布式高性能计算等服务。具体组成如图2所示。

图2 全舰计算环境基础设施组成

1) 数据处理单元:主要由计算机、数据库服务器等设备和相关支撑软件组成,为全舰提供共用的计算、存储、系统管理、安全和运行环境等功能。

2) 网络单元:包括有线和无线网络设备及其上运行的软件,提供网络交换、语音和视频的控制及通信等功能。

3) 人机接口单元:TSCE提供的标准“显控平台”,包括标准的显控终端和人机接口服务组件,提供人机交互的支撑功能。

4) 适配单元:TSCE与定型的导弹发射装置等装备信息换的“网关”,包括接口硬件和对应的软件,提供接口适配和信息转换等功能。

2.2 美军基于TSCE的全舰信息化集成模式

TSCE集成了外部通信控制、传感器与装备控制、舰船控制、武器控制、指挥控制等信息系统[7],如图3所示。作战系统划分为两大部分,一是不随平台变化的公共核心部分,即将软件化的传感器管控、航迹管理、作战指挥、武器控制功能部署于全舰计算环境[8]。二是平台适配部分,即必须由专用硬件设备完成的功能[9],如传感器天线及阵面、武器发射装置等。通过这种开放式体系结构设计,实现了公共资源的充分共享、业务应用的灵活部署、武器通道动态组配,同时支持以模块化的方式快速换装新的武器装备。从而大幅提升舰艇作战系统整体信息处理能力、数据共享能力、显示操控能力、灵活配置能力、冗余抗毁能力和升级扩展能力。美军认为,通过采用全舰计算环境,使其作战系统体系结构和集成方式产生了根本性变革,作战系统从传统的分系统拼装式集成转变为基于全舰计算环境基础设施的开放式集成。

图3 美国海军TSCE组成示意图

美军强调战场中,即使是信息基础设施,计算、网络、软件、数据等各类要素也应作为作战资源在TSCE中进行管理[10]。美军TSCE资源管理架构如图4所示。

图4 TSCE资源管理架构

针对各类资源,美军制定了相应的标准规范,从整个TSCE层面,根据各类应用需求,实施统筹管理。

全舰计算环境中基础设施相关计算存储设备、显控设备、网络及适配接入设备都进行了标准化,通用化设计。舰艇驾控、传感器管理、外部通信、作战指挥、武器控制、平台管理等应用所需的设备资源都在全舰计算环境基础设施的基础上统一规划,集中管理和动态共用。

TSCE将系统中的应用作为服务进行统一管理,并将系统的核心服务归纳为TSCE连接件,数据服务、对象代理服务、事件服务、数据采集服务等几类接口[11]。TSCE的连接件和接口服务提供了资源管理和所有与外部应用的连接,TSCE连接件基于接口服务提供胶连功能,由TSCE管理这些接口连接。美军将TSCE中的应用层服务架构也进行了详细的划分和标准化,TSCE的系统服务层在基础网络设施和计算处理设施的基础上对通信服务、基础设施管理服务、分布式计算服务、数据管理服务、人机交互服务和操作系统服务进行统筹应用,在系统服务层统一提供系统运行,资源管理和应用交互的服务资源,基于这些系统服务向业务层提供应用支撑。

TSCE数据资源的统筹共用实现了数据的综合存储、传输、处理和分发,是全舰计算环境的核心设计之一。美军在TSCE中通过统一的数据库集成模式实现了对数据资源的统一管理,所有的数据统一存储在数据仓库中,数据的采集、分析、处理和管理都在TSCE中进行。

美军在TSCE中也实现了标准化的任务流程描述、任务流程的组织,任务流程驱动引擎,任务统筹管理,对任务的调度,任务中服务资源的分配,以及任务的生命周期在TSCE中进行了统一的管理。

2.3 美军全舰信息化集成的特性分析

美军的TSCE体系架构及全舰信息化集成设计中充分考虑了应用耦合性,系统运行、部署和维护各方面的能力需求,突出实现信息化集成系统层次间的解耦、屏蔽设计,实现TSCE基础设施、信息化应用系统以及上层应用服务等各层透明性设计[10]。实现全舰信息化集成的模块化部署。

全舰信息化系统各层访问透明:屏蔽了用户本地访问和远程访问机制间的差异性、底层的通信模式和被访问对象的存储位置,其透明性设计还支持跨语言、跨操作系统实现访问操作的语法和语义的一致性。同时TSCE屏蔽了来自于不同应用终端的并发服务请求的各种访问冲突,简化应用处理过程。TSCE通过虚拟数据库技术实现了持久性的特性,持久性透明设计允许应用程序管理、应用持久性数据,而不需要关注其存储位置或数据库的表现形式。

全舰信息系统的复用能力支持:TSCE实现了服务级、应用级到系统级的不同粒度的复用支持。支撑数据、服务和业务功能等不同粒度的复用和部署使用。

全舰信息系统的运维与应用解耦:系统的运行配置对应用透明。应用系统无需关注计算资源的分配调度过程和复杂的资源管理机制。同时TSCE实现了对软硬件错误的容错管理和故障恢复,使得容错机制对应用透明。TSCE实现了对应用迁移的透明管理。应用程序或数据迁移到其他设备上时,应用程序无需宕机,操作人员也感觉不到迁移过程。

全舰信息系统的技术兼容设计:TSCE进行了大量的兼容性考虑和设计,通过开放式的架构和标准化的接口兼容将可能出现的新的中间件技术。

通过上述设计,TSCE实现了应用与基础设施真正的解耦,保障了TSCE中各类应用的可用性、可维护性和全系统的高效集成能力。

3 我军全舰计算环境及信息化总体概念方案研究

3.1 全舰计算环境及信息化需求分析

分析全舰各系统及平台对全舰信息支撑环境的应用需求,梳理全舰信息资源,系统的研究信息采集,信息协同和交互,信息处理,信息分发,信息展现等全过程的信息化需求,分析全舰系统及平台的信息处理业务流对信息化平台的支撑能力需求,将全舰信息化集成分为信息展现及监控,信息协同交互,信息处理,信息分析与推送等功能区,并对各系统和装备的信息化需求进行初步分析,形成各系统对信息化功能构成的初步认识,为全舰计算环境及信息化总体方案设计提供支撑。

3.2 全舰计算环境系统设计

作为承载全舰信息化业务的硬件基础支撑平台,全舰计算环境必须具备计算处理高性能,网络通信和数据访问高效率,数据存储安全可靠,同时还必须兼容适配各种不同体系架构的软硬件平台等各种需求,以满足信息系统在各类信息化业务处理过程中应用需求。

全舰计算环境根据全舰各系统和平台的配置需求,以电子集装箱的方式在舰内配置多个计算中心,计算中心按各系统功能域分配给各平台和系统使用。全舰计算环境的计算中心采用容灾和可靠性设计,计算中心间采用容灾互连方式确保出现部分损毁情况下,系统正常运行。全舰计算环境配置示意图如图5所示。

全舰计算环境基于开放式体系的公共计算服务系统,高性能计算设备采用服务器架构,支持刀片式、机架式计算单元集成,确保兼容各硬件组件的主流物理形态,支撑计算服务系统形成硬件技术体制的分类统一。

图5 全舰计算环境电子集装箱及设备组成示意图

3.3 全舰信息化总体概念方案研究

根据全舰信息化资源的梳理和信息化应用需求,全舰计算环境及信息化总体概念设计方案分为两部分,如图6所示,一部分是为全舰信息化提供基础硬件支撑的底层硬件支撑平台,包括各类计算、存储、网络设备及人机交互和展现平台,这些硬件基础设施已公共开放的接口面向全舰提供计算、存储、显控、传输环境,支持各应用的一体化集成;第二部分是为全舰信息资源提供各类信息化综合处理业务信息化软件支撑平台,包括信息的标记与表示,信息展现框架,信息处理框架,信息分发框架,多级信息存储框架,信息分析与推送,应用集成框架,信息安全框架等各类信息化集成与应用软件。

图6 全舰信息化总体概念方案

其中,基于公共计算服务的全舰信息化硬件基础设施以电子集装箱的形式对计算、存储、网络等设备进行冗余部署,以增强硬件设备的抗毁容灾能力,并为硬件设备提供统一的供电、制冷,电磁屏蔽与减震支持;人机交互及信息展现平台为各类应用提供多屏、触摸、语音、手势、键鼠、操纵杆等多模态的显控交互支撑功能,支持各类信息资源的全面展现和交互。

全舰信息化软件支撑平台为信息资源全寿命周期的应用处理提供各类信息应用集成框架,从信息的采集和表示,信息的存储,信息处理,信息分析,信息分发,信息的分析挖掘与智能化推送,信息的全方位展现,以及信息的容灾备份和访问控制等各个方面提供全面的信息化集成方案。

1) 全舰信息系统的信息协同、交互和共享

目前,全舰信息化系统内部存在着大量孤立的信息资源,这些信息资源在全舰信息化平台内需要充分的共享和交互,同时也存在着信息协同的需求。另外,全舰信息资源多元多样,有静态存储的信息资源,也有动态生成和实时采集的信息资源;信息资源种类有指挥信息、情报信息、设备控制信息、系统监控信息、气象海文信息和后勤保障信息等;各类信息资源对信息分发的时效性要求也多种多样,有强实时信息、弱实时信息和非实时信息;各信息资源的传输和表示方式又有元数据、主题数据、格式化报文数据和数据库数据等多个种类。全舰信息资源的多种多样及多元化要求信息分发模式的多样化有机集成,以满足各类信息资源交换、共享和协同的需求。

针对各类信息资源的传输、交互和共享的特色需求,结合全舰硬件基础支撑平台设计,综合采用数据订阅/分发、信息服务总线及信息直通管道等多种分发模式,并将其有机集成,以适应不同种类信息资源传输共享需求,优化信息交互和信息化操控流程。

针对强实时、控制类信息资源,由于其信息传输的时效性要求较高,这类信息的信源信宿间采用工业总线及信息直通管道的方式进行互通,并采用实时系统和实时中间件以保证其信息处理的时效性;对于弱实时、动态信息资源则可采用数据订阅/分发模式,一方面保障信息的实时性需求,另一方面则提高信息分发效率,减少动态信息资源对网络,存储资源的占用;对于数据库信息,静态数据及非实时信息,则可采用信息服务总线的方式在信息系统内进行分发,可充分提高信息的交互共享效率,同时降低对网络资源的占用。全舰信息交互、协同和共享框架示意图如图7所示。

图7 全舰信息交互、协同和共享框架示意图

2) 全舰信息系统的信息多级存储及同步

全舰信息资源广泛的分布于全舰各个系统及装备之中,信息资源的持久化及数据的同步共享也给信息资源的存储带来了严酷的挑战,同时信息资源的高效访问的需求也对数据的存储访问设计提出了更高的要求。

全舰信息存储网络综合集成分布式数据库、嵌入式数据库、内存数据库等多层次信息存储框架,通过内存数据库,嵌入式数据库等方式提升信息终端的数据库访问的效率,同时通过分布式数据同步和共享机制进行数据的持久化和同步,提升各级数据存储、访问以及信息处理的效率。

另外,全舰信息系统中也广泛的分布着大量的非结构化数据,因此在数据存储框架设计中也要有机集成结构化数据库和非结构化数据库,以满足不同的信息存储需求。

信息多级存储及同步示意图如图8所示。

图8 信息多级存储及同步示意图

3) 面向服务化及容器架构的全舰信息化集成

全舰信息化平台上各系统的信息处理业务纷繁复杂,对平台操作系统及中间件的要求也多种多样,这大大增加了信息化系统集成的难度,同时降低了应用系统运行、部署的灵活性和可靠性。

面向服务化设计和容器架构能以一种松散耦合架构实现应用系统的灵活集成,提升应用系统的部署、运行和维护的灵活性,同时由于应用系统在容器内隔离运行,以及服务化处理的松耦合机制,也增强了应用系统运行的可靠性。

全舰信息化系统的基础软件平台,采用虚拟化技术及容器架构,在硬件平台的基础上构建虚拟化资源池,然后根据应用系统需求构建不同的虚拟化操作系统供应系统使用,在每个虚拟机上运行的应用软件以构件容器的方式进行隔离式的独立运行,同时满足服务需求的非实时应用以服务的形式向上层应用发布,应用方以松耦合的方式调用服务完成相应的功能业务。面向服务化及容器架构的应用集成示意图如图9所示。

4) 全舰信息资源的综合利用与效能提升

全舰信息化系统中存在海量的信息资源,这些信息资源在以前的利用模式中往往是事先确定的,定向式应用,应用方事先知道需要利用那些信息然后以固定的流程利用这些信息资源,信息资源的利用效率低下,大量的信息资源被淹没在了信息海洋中。

全舰信息系统要充分挖掘信息资源的利用效率,采用知识关联、数据挖掘、统计推理等技术手段实现全舰信息资源综合利用,通过统计和关联规则让信息化系统理解各类业务软件的信息需求,并在后台对所需的信息资源进行归集和整理,向各类业务软件进行智能推送,提升信息系统对信息资源管理的智能化水平。

图9 面向服务化及容器架构的全舰信息化集成

4 结语

美军根据多年的舰载信息系统集成设施建设和应用经验,提出了全舰计算环境和基于全舰计算环境的信息系统集成应用模式,减少资源配置,提升作战效能。当前,我军全舰计算环境及信息化系统集成仍处于研究和发展阶段,仍存在许多问题需要深入分析和研究,借鉴美军TSCE的设计思路和发展模式,本文认为未来我军信息化系统集成的发展和应用过程中仍需注意以下几点。

1) 充分尊重应用需求,加强全舰信息化集成的顶层规划和总体设计。

2) 统筹设计,建立统一的全舰信息化基础设施及应用技术体制。

3) 体系结构兼容,建立开放透明的信息化基础设施体系和信息化集成架构。

4) 加强标准规范建设,规范集成,建立统一的技术标准和验证平台。

5) 优化用户体验,从作战指挥的角度加强适用性和可用性设计。

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Conceptual Scheme of Total Ship Computing Environment and Informational System

XU Yong

(Software Department, Naval Equipment Information System Bureau, Beijing 100841)

It briefly introduced the architecture of USA navy total ship computing environment (TSCE) and the integration model of total ship informational system, analyzed the thinking of design and system features. And then combined with our applications, it analyzed the requirement of our navy total ship computing environment and informational system, proposed an conceptual scheme of total ship computing environment architecture and total ship informational system. At last, it proposed some development suggestion of total ship computing environment and shipboard information system integration, to provide some consults about development of our shipboard information system.

total ship computing environment, informational system integration, total ship informational

2016年5月3日,

2016年6月24日

徐勇,男,硕士,研究方向:作战系统,电子信息系统。

TN919.3

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.11.004